獨(dú)家分析：維斯塔斯V236-15.0 MW動(dòng)力總成

東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)獲悉：近期采埃孚風(fēng)能邀請(qǐng)了《風(fēng)能月刊》的Eize de Vries來(lái)了解正在與維斯塔斯開發(fā)的完全集成的15MW動(dòng)力系統(tǒng)。本文由Eize de Vries撰寫，《風(fēng)能月刊》發(fā)布，東方風(fēng)力發(fā)電網(wǎng)獨(dú)家翻譯。

 

兩個(gè)接口環(huán)元件將連接維斯塔斯v236 -15.0MW渦輪機(jī)的主軸承單元和變速箱

 

維斯塔斯V236-15.0 MW（有史以來(lái)開發(fā)的最大和最強(qiáng)大的風(fēng)力渦輪機(jī)之一）的準(zhǔn)備工作正在全面展開，在我訪問(wèn)之前，這家海上巨頭的第一個(gè)動(dòng)力總成（包括主軸承單元、變速箱和發(fā)電機(jī)）已經(jīng)從采埃孚風(fēng)電在比利時(shí)洛默爾的生產(chǎn)設(shè)施運(yùn)往丹麥Lindø。

 

總共將在Lindø海上可再生能源中心 （Lorc）*的機(jī)艙測(cè)試中心建造、測(cè)試和驗(yàn)證三個(gè)初始動(dòng)力總成原型。維斯塔斯是2009年首次建立Lorc的合作伙伴組織之一。它也在Lindø生產(chǎn)V164-9.5-10.0 MW和V174-9.5 MW系列機(jī)艙，V236機(jī)艙的生產(chǎn)也將從2024年5月開始增加。

 

在最初計(jì)劃的三個(gè)V236動(dòng)力總成原型中，第一個(gè)特別關(guān)注系統(tǒng)集成和耐用性方面，而原型二和三則更加注重可維護(hù)性功能。今年，V236-15.0 MW原型機(jī)將采用其中一種動(dòng)力系統(tǒng)。

 

在進(jìn)入采埃孚原型活動(dòng)（包括一些測(cè)試）的專用工廠空間之前，有匹配齒輪運(yùn)動(dòng)的特征背景聲音。它來(lái)自第二動(dòng)力總成，安裝在“真正的”略微向后傾斜的位置，并正在接受空載功能系統(tǒng)測(cè)試，該產(chǎn)品的開發(fā)是維斯塔斯和采埃孚風(fēng)電密切合作的一個(gè)令人印象深刻的成果。

 

這一戰(zhàn)略合作伙伴關(guān)系建立在2019年引入的原始5.6MW En Ventus中速技術(shù)原理的基礎(chǔ)上——包括直接連接到行星變速箱和永磁發(fā)電機(jī)（PMG）的主軸承單元的一個(gè)緊湊的創(chuàng)新布局。尤其引人注目的是，動(dòng)力系統(tǒng)巨大的主軸承單元的尺寸，由四個(gè)大的集成安裝支架加固，使整個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)直接安裝到機(jī)艙底板。配套的空心鑄造主軸內(nèi)部非常大，一個(gè)高大的人可以輕松地站在前段。

 

維斯塔斯V236-15.0MW渦輪機(jī)的機(jī)艙結(jié)構(gòu)正在丹麥Lindø組裝

 

模塊化輪轂安裝法蘭也隨著規(guī)模的擴(kuò)大而增加。但與EnVentus相比，由于有多個(gè)螺栓圈，它在功能上保持不變。特別是齒輪箱與巨大的主軸承單元相比，在直徑上看起來(lái)令人驚訝地緊湊，而且與維斯塔斯特有的亮藍(lán)色配色的發(fā)電機(jī)相比也更小。

 

 

“維斯塔斯為我們提供發(fā)電機(jī)和所有主要軸承部件的機(jī)械加工，”采埃孚的工藝工程主管保羅·德賴斯（Paul Dries）在參觀原型區(qū)時(shí)說(shuō)。Dries領(lǐng)導(dǎo)著一個(gè)由40名工程師組成的團(tuán)隊(duì)，負(fù)責(zé)開發(fā)和驗(yàn)證所有重要的生產(chǎn)、組裝工具和方法，以便在未來(lái)高效地批量生產(chǎn)新型動(dòng)力總成。這一具有挑戰(zhàn)性的過(guò)程需要轉(zhuǎn)移生產(chǎn)并尋找解決方案，以實(shí)現(xiàn)更大的組件和系統(tǒng)操作靈活性以及高度創(chuàng)新的新裝配技術(shù)的實(shí)施。

 

“一個(gè)例子是主軸承單元的垂直組裝方法，其中外殼和軸既大又重。 一個(gè)時(shí)間緊迫的動(dòng)作，需要快速工作，是在實(shí)際安裝軸之前對(duì)軸承進(jìn)行預(yù)熱，以進(jìn)行收縮配合。我們還必須開發(fā)一種新的預(yù)張緊方法來(lái)匹配規(guī)模和相互關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性。”Dries 說(shuō)。

 

采埃孚風(fēng)力發(fā)電公司的總體目標(biāo)是為新設(shè)計(jì)重新利用現(xiàn)有的生產(chǎn)設(shè)施，包括可用的50噸門式起重機(jī)，以處理更大、更重的組件。Dries指出，僅V236主軸承的重量就幾乎相當(dāng)于組裝好的EnVentus動(dòng)力總成的重量。為了解決吊裝難題，他們?cè)黾恿说诙_(tái)70噸的門式起重機(jī)，并將兩臺(tái)起重機(jī)串聯(lián)操作，用吊梁將兩臺(tái)起重機(jī)連接起來(lái)。

 

 

V236的行星齒輪箱在概念上類似于EnVentus變速箱概念，同樣是采埃孚的開發(fā)。四年前，在2018年《風(fēng)能月刊》關(guān)于15MW級(jí)技術(shù)準(zhǔn)備情況的采訪中，該公司首席技術(shù)官M(fèi)artin Knops解釋說(shuō)：“我們最大的差分式中速變速箱通過(guò)保留現(xiàn)有變速箱3米外徑，可以很好地?cái)U(kuò)展到15MW。我們需要做的是在第一齒輪級(jí)從四個(gè)行星齒輪切換到五個(gè)或更多行星齒輪。”

 

V236-15.0MW本身是為風(fēng)力渦輪機(jī)開發(fā)的最強(qiáng)大的齒輪箱之一，與V162-6.2 MW相比，其扭矩水平高出三倍以上。因此，第一級(jí)行星運(yùn)載器融合了幾個(gè)高度創(chuàng)新的特點(diǎn)，Dries說(shuō)：“因?yàn)檫@個(gè)行星運(yùn)載器吸收了最大的輸入扭矩，所以組件也最大，質(zhì)量也最大。通過(guò)減小齒輪箱外徑以及與減小相一致的齒圈尺寸等其他部件，可以節(jié)省成本。在這些扭矩最高的階段，使用緊湊型軸頸軸承幾乎是必須的，現(xiàn)在已被證明是一種成熟的風(fēng)力變速箱技術(shù)。”

 

行星載體是單個(gè)行星齒輪箱級(jí)的關(guān)鍵部件，由外圈齒輪、行星齒輪和太陽(yáng)齒輪組成。這三個(gè)元件都將轉(zhuǎn)矩傳遞給同一個(gè)行星齒輪級(jí)或下一個(gè)行星齒輪級(jí)（或直齒齒輪）中的下一個(gè)元件——所有這些都將初始“低”轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速提高到與匹配的發(fā)電機(jī)相適合的轉(zhuǎn)速水平。行星齒輪合并在行星載體子組裝中，旋轉(zhuǎn)或靜止，取決于所選的布局。第一級(jí)是指最靠近轉(zhuǎn)子的第一級(jí)低速行星齒輪箱級(jí)。現(xiàn)代行星式風(fēng)力渦輪機(jī)齒輪箱包括一個(gè)、兩個(gè)或三個(gè)行星級(jí)。現(xiàn)在，對(duì)于更大的規(guī)模（更高的額定和/或更大的轉(zhuǎn)子）的風(fēng)力渦輪機(jī)，三級(jí)已成為普遍現(xiàn)象。

 

工程師們通過(guò)將傳統(tǒng)的“由外向內(nèi)”組裝方法轉(zhuǎn)換為新穎的“由內(nèi)向外”組裝方法，最大限度地減少了行星齒輪之間的內(nèi)部間距，從而解決了第一階段行星載體的組合挑戰(zhàn)。這使得有可能提高行星載體剛度到最大，同時(shí)在多行星階段設(shè)計(jì)中優(yōu)化載體和齒輪階段的質(zhì)量。

 

技術(shù)負(fù)責(zé)人Bert Verdyck補(bǔ)充說(shuō)，軸頸軸承和滾子軸承均用于采埃孚齒輪箱。自2018年推出ZF Shift 6k變速箱以來(lái)，變速箱扭矩密度有所增加，從當(dāng)時(shí)的175Nm/kg記錄值上升到兩年后Shift 7k時(shí)的200Nm/kg。他說(shuō)，低速和中速變速箱階段的軸頸軸承是一個(gè)關(guān)鍵的推動(dòng)因素，而在第三階段，滾動(dòng)軸承可能是一個(gè)節(jié)省成本的選擇，因?yàn)樵瓌t上有足夠的空間。

 

 

Verdyck補(bǔ)充道：“2020年，我們與Vestas的專家一起開始了V236-15.0 MW動(dòng)力系統(tǒng)的開發(fā)，進(jìn)一步加強(qiáng)了現(xiàn)有的項(xiàng)目和創(chuàng)新層面的密集合作。在EnVentus動(dòng)力系統(tǒng)開發(fā)期間開始的工作，已經(jīng)形成了一個(gè)全面的共享專有技術(shù)基礎(chǔ)，特別是對(duì)全集成齒輪傳動(dòng)系統(tǒng)的高級(jí)聯(lián)合系統(tǒng)理解。”

 

關(guān)鍵的貢獻(xiàn)是通過(guò)共同應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)、構(gòu)建建模工具和共享結(jié)果、以及通過(guò)聯(lián)合測(cè)試和驗(yàn)證來(lái)增加價(jià)值。他補(bǔ)充說(shuō)，由于與維斯塔斯的密切合作，聯(lián)合團(tuán)隊(duì)得以開發(fā)這種完全集成的動(dòng)力系統(tǒng)，從采埃孚的角度來(lái)看，這是一個(gè)獨(dú)特的開創(chuàng)性的風(fēng)能市場(chǎng)解決方案。

 

從一開始，模擬工作就集中在構(gòu)建預(yù)測(cè)和完全理解系統(tǒng)行為的能力上，最初使用一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的模型，旨在構(gòu)建集成系統(tǒng)的專有技術(shù)。隨著設(shè)計(jì)的成熟，這些模型逐漸變得更加先進(jìn)，工程師們將這些成果與Shift 7k和高度集成的EnVentus動(dòng)力系統(tǒng)所積累的額外見(jiàn)解結(jié)合起來(lái)。

 

Verdyck說(shuō)：“智能產(chǎn)品設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是讓組件剛度和撓度的主要變量可預(yù)測(cè)，但這種‘為靈活性設(shè)計(jì)’的策略方法需要事先知道變形何時(shí)以及如何發(fā)生。”

 

“V236-15.0 MW開發(fā)面臨的三個(gè)最大挑戰(zhàn)是規(guī)模的巨大飛躍，包括尺寸和質(zhì)量相關(guān)，以及組件、子組裝和全組裝水平。這種動(dòng)力系統(tǒng)同時(shí)采用了Shift 7k和EnVentus的技術(shù)和解決方案，但主要的不同是，它現(xiàn)在的規(guī)模要大得多。”

 

 

雖然EnVentus的動(dòng)力總成尺寸仍然可以通過(guò)公路運(yùn)輸，但這對(duì)V236來(lái)說(shuō)不再可行。因此，從早期階段開始，該團(tuán)隊(duì)就計(jì)劃將這些完全組裝好的預(yù)裝動(dòng)力系統(tǒng)直接運(yùn)輸?shù)礁浇赖霓D(zhuǎn)運(yùn)地點(diǎn)。

 

采埃孚風(fēng)電全球工藝工程主管克里斯•舒伊滕（Kris Schuyten）解釋說(shuō)，只有2公里的路段可以由公路或鐵路覆蓋，但仍然存在物流方面的挑戰(zhàn)。“我們決定將有效管理產(chǎn)品流程的挑戰(zhàn)分成兩部分。一旦完成的動(dòng)力系統(tǒng)被打包并準(zhǔn)備交付，最后一個(gè)流程部分需要仔細(xì)觀察整個(gè)運(yùn)輸過(guò)程。”他表示，“因此，我們與當(dāng)?shù)卣芮新?lián)系，尋求最佳解決方案，包括具有成本效益的新基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)，與水路運(yùn)輸?shù)恼鲜亲蠲黠@的，但主要復(fù)雜性涉及到許多利益相關(guān)者。”

 

另一個(gè)與流程相關(guān)的部分是車間層面的產(chǎn)品集成。在這里，采埃孚的專家們已經(jīng)在洛美爾和天津工廠擁有生產(chǎn)EnVentus動(dòng)力總成的經(jīng)驗(yàn)。具體來(lái)說(shuō)，當(dāng)他們?cè)谥袊?guó)為EnVentus公司開發(fā)新設(shè)施時(shí)，他們使用了一種先進(jìn)的軟件工具，在建廠和設(shè)置組裝流程之前，建立了一個(gè)數(shù)字孿生工廠。他補(bǔ)充說(shuō)，這包括虛擬預(yù)定義、3D檢查、優(yōu)化和驗(yàn)證的所有必要裝配和物流步驟。 采埃孚的專家將使用相同的工具為L(zhǎng)ommel工廠的V236-15.0 MW未來(lái)批量生產(chǎn)開發(fā)數(shù)字雙胞胎，以確保快速、有效地集成到現(xiàn)有的制造設(shè)施中。

 

V236-15.0MW全動(dòng)力總成的渲染圖

 

舒伊滕表示：“洛美爾面臨的另一個(gè)挑戰(zhàn)更為全面，那就是要徹底改變現(xiàn)有的配置，以適應(yīng)未來(lái)的產(chǎn)品組合，包括維斯塔斯的動(dòng)力系統(tǒng)。下一步是回答一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題，即如何重新調(diào)整組裝過(guò)程，以實(shí)現(xiàn)特定的設(shè)計(jì)優(yōu)化，就像新的行星航母示例一樣。其他的可能性還包括產(chǎn)品流程優(yōu)化，比如最大限度地減少主要組件的內(nèi)部流動(dòng)。”

 

他總結(jié)道：“我們的最終目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的全模塊化，以及動(dòng)力總成的全測(cè)試、驗(yàn)證和預(yù)調(diào)試。”